INTRODUZIONE ALLE COMUNICAZIONI MOBILI - Corso di "Introduzione alle Comunicazioni Mobili"

Corso di “Introduzione alle Comunicazioni Mobili”

       INTRODUZIONE ALLE
      COMUNICAZIONI MOBILI

                Prof. Fabrizio Granelli
             E-mail: granelli@disi.unitn.it

CONTENUTI

1. Introduzione alle comunicazioni mobili (cenni storici)
2. Reti radiomobili: concetti fondamentali
3. Differenze tra reti fisse e reti mobili

INTRODUZIONE ALLE
             COMUNICAZIONI MOBILI

• Lo sviluppo dei sistemi di trasmissione radiomobile si
  articola in tre fasi distinte:
   – Prima fase (1865-1900): sviluppo dei fondamenti
      teorici;
   – Seconda fase (1901-1969): sviluppo di tecniche ed
      apparati;
   – Terza fase (1970-in corso): fornitura di servizi
      radiomobili per utenze di massa.

INTRODUZIONE ALLE
             COMUNICAZIONI MOBILI

• Prima fase: fondamenti teorici
   – 1865-1885: equazioni di Maxwell, teoria unificata
      per campo elettrico e magnetico, concetto di onda
      elettromagnetica;
   – 1887: esperimento di H. Hertz: trasmissione e
      ricezione di onde elettromagnetiche che si
      propagano nello spazio;
   – 1897: Ducretet stabilisce il primo collegamento
      radio a 1Km di distanza.

INTRODUZIONE ALLE
              COMUNICAZIONI MOBILI

• Seconda fase: sviluppo di tecniche ed apparati
   – 1901: Guglielmo Marconi trasmette con successo
      la lettera “S” in alfabeto Morse dall’Inghilterra alla
      baia di St. John in Canada (3000Km di distanza);
   – 1904: L. De Forest inventa il triodo, prima valvola
      amplificatrice, sviluppata a partire dal diodo di
      Fleming.

INTRODUZIONE ALLE
             COMUNICAZIONI MOBILI

• Seconda fase: sviluppo di tecniche ed apparati
   – 1920-1930: teoria della trasmissione analogica:
      lavori di Carson, Nyquist, Johnson e Hartley. Si
      diffonde la radiofonia civile;
   – 1939-1945: Seconda Guerra Mondiale: potente
      sviluppo delle tecniche di trasmissione analogica in
      banda VHF per applicazioni radiomobili militari.
      Concetto di Spread Spectrum.

INTRODUZIONE ALLE
             COMUNICAZIONI MOBILI

• Seconda fase: sviluppo di tecniche ed apparati
   – 1947: invenzione del transistor da parte di Bardeen,
      Brattain e Schokley;
   – 1948-1950: fondamenti della teoria
      dell’informazione di C. Shannon. Hamming e
      Golay gettano le basi per la codifica a correzione
      di errore. Articolo di A.C. Clarke su
      comunicazioni satellitari.

INTRODUZIONE ALLE
               COMUNICAZIONI MOBILI

• Seconda fase: sviluppo di tecniche ed apparati
   – 1962-1966: trasmissione TV via satellite, sviluppo
      prototipale di linee di trasmissione PCM ad alta
      velocità, algoritmo di Viterbi, lavori di Lucky su
      equalizzazione adattativa;
   – 1965-1969: la sonda Mariner II trasmette immagini in
      digitale da Marte. L’uomo sbarca sulla Luna. Nasce
      Internet.

INTRODUZIONE ALLE
             COMUNICAZIONI MOBILI

• Terza fase: fornitura di servizi radiomobili ad utenze
  di massa
   – 1970-1975: diffusione dei sistemi radio veicolari per
      polizia, taxi, ambulanze ecc. Primi prototipi di
      sistemi per la telefonia mobile;
   – 1976: il lancio dei satelliti MARISAT segna l’inizio
      del servizio di radiolocalizzazione GPS a copertura
      globale (al momento per sola utenza militare);

INTRODUZIONE ALLE
             COMUNICAZIONI MOBILI

• Terza fase: fornitura di servizi radiomobili ad utenze
  di massa
   – 1979: il primo standard di telefonia mobile analogico
      AMPS (Advanced Mobile Phone Service) entra in
      funzione negli USA;
   – 1985: primo standard di telefonia mobile europeo:
      TACS (analogico). Prima generazione del mobile;
   – 1990: entra in servizio il GSM, standard europeo per
      telefonia mobile digitale.

INTRODUZIONE ALLE
                COMUNICAZIONI MOBILI

• Terza fase: fornitura di servizi radiomobili ad utenze di
  massa
   – 1990-2000: seconda generazione delle comunicazioni
      mobili: esplosione commerciale della telefonia cellulare
      terrestre e del GPS per usi civili;
   – 2000 ?-?: terza generazione delle comunicazioni mobili
      (UMTS): larga banda, multimedialità integrazione con
      reti satellitari per copertura globale.

INTRODUZIONE ALLE
                    COMUNICAZIONI MOBILI

  • Statistiche

                                     Crescita stimata della domanda per
Rate di penetrazione dei servizi             i servizi radiomobili
in differenti zone (dati del 1998)

RETI RADIOMOBILI: CONCETTI
               FONDAMENTALI

• Schema generale di una rete radiomobile

RETI RADIOMOBILI: CONCETTI
                FONDAMENTALI

• Concetto di cella di comunicazione
  – Una rete radiomobile è usualmente divisa in celle
    di comunicazione;
  – Ogni cella fa capo ad una stazione radio-base, la
    quale può essere interfacciata direttamente alle reti
    terrestri (esempio alla rete telefonica);
  – La tipica configurazione geometrica della cella è
    esagonale.

RETI RADIOMOBILI: CONCETTI
                FONDAMENTALI

• Concetto di canale di comunicazione
  – Nei vecchi sistemi di tipo FDMA un canale di
    comunicazione si identificava con una ben
    determinata slot di frequenza, separata dalle altre
    ed assegnata ad un singolo utente;
  – Nei sistemi attuali un canale di comunicazione può
    essere identificato con una slot di tempo (sistemi
    TDMA) o con una parola di codice specifica
    (sistemi CDMA).

RETI RADIOMOBILI: CONCETTI
               FONDAMENTALI

• Concetto di accesso multiplo
  – Il canale di trasmissione è una risorsa condivisa da un
     gran numero di utenti nei sistemi di trasmissione
     radiomobile;
  – L’accesso multiplo nei sistemi di comunicazione
     multi-utente è un insieme di procedure che consentono
     di gestire in maniera efficiente la condivisione della
     risorsa-canale, minimizzando l’interferenza che i vari
     utenti esercitano reciprocamente.

RETI RADIOMOBILI: CONCETTI
              FONDAMENTALI

• Metodologie di accesso multiplo:
  classificazione
  – Le metodologie di accesso multiplo vengono
    classificate sulla base di due criteri:
     • Sulla base del tipo di risorsa fisica allocata ai
       diversi utenti che accedono al canale;
     • Sulla base della modalità con cui tale risorsa viene
       allocata.

RETI RADIOMOBILI: CONCETTI
                FONDAMENTALI

• Metodologie di accesso multiplo: classificazione
  in base alla risorsa fisica
   – FDMA: se ad ogni utente viene assegnata una porzione
     separata di frequenza per accedere al canale condiviso;
   – TDMA: se ad ogni utente viene assegnata una ben
     definita slot temporale per accedere al canale
     condiviso;
   – CDMA: se ad ogni utente viene assegnata una specifica
     parola di codice pseudo-casuale con la quale viene
     realizzato lo spreading del segnale che porta
     informazione sul canale condiviso.

RETI RADIOMOBILI: CONCETTI
                  FONDAMENTALI

• Metodologie di accesso multiplo: classificazione in
  base alla modalità di allocazione delle risorse fisiche
   – Allocazione statica: si ha quando la risorsa fisica viene
      allocata in maniera statica, ovvero permanentemente ad
      una connessione (esempi: divisione di frequenza a slot
      assegnate in maniera fissa e commutazione di circuito);
   – Allocazione dinamica: si ha quando la risorsa fisica viene
      allocata in maniera dinamica e quindi riassegnata a diverse
      connessioni da un gestore centralizzato o distribuito;
   – I sistemi di nuova generazione utilizzano metodologie di
      allocazione dinamica delle risorse di accesso.

RETI RADIOMOBILI: CONCETTI
              FONDAMENTALI

• Differenze tra reti fisse e reti mobili
  – Limitazioni nella disponibilità di banda: le reti
    radiomobili soffrono dei vincoli nell’utilizzo
    dello spettro RF, imposti dalle normative
    internazionali. In generale, la disponibilità di
    banda per la trasmissione mobile è molto
    inferiore rispetto a quella offerta dalle reti
    fisse e cablate.

RETI RADIOMOBILI: CONCETTI
                FONDAMENTALI

• Differenze tra reti fisse e reti mobili
  – Tempo-varianza della qualità del servizio: in
      generale le reti fisse e cablate sono caratterizzate
      da un’elevata qualità del servizio costante nel
      tempo (vedi Ethernet). Le reti radiomobili sono,
      invece caratterizzate da mobilità dei terminali e
      distorsioni tempo-varianti indotte dal canale e
      quindi la BER è, anch’esso, un parametro tempo
     -variante.

RETI RADIOMOBILI: CONCETTI
                FONDAMENTALI

• Differenze tra reti fisse e reti mobili
  – Gestione dell’handover: nelle reti radiomobili
     occorre gestire gli spostamenti di un utente da una
     cella ad un’altra, in maniera trasparente
     (handover), senza che la comunicazione
     dell’utente venga interrotta.

RETI RADIOMOBILI: CONCETTI
               FONDAMENTALI

• Bande di frequenza e servizi radiomobili